Тэрмаэлектрычны халадзільнік, кулер Пельцье (таксама вядомы як кампаненты тэрмаэлектрычнага астуджэння) — гэта цвёрдацельныя халадзільныя прылады, заснаваныя на эфекце Пельцье. Іх перавагі заключаюцца ў адсутнасці механічнага руху, адсутнасці холадагенту, малых памерах, хуткай рэакцыі і дакладнага кантролю тэмпературы. У апошнія гады іх прымяненне ў бытавой электроніцы, медыцыне, аўтамабілях і іншых галінах працягвае пашырацца.
I. Асноўныя прынцыпы тэрмаэлектрычнай сістэмы астуджэння і яе кампанентаў
Асновай тэрмаэлектрычнага астуджэння з'яўляецца эфект Пельцье: калі два розныя паўправадніковыя матэрыялы (P-тыпу і N-тыпу) утвараюць пару тэрмапар і падаецца пастаянны ток, адзін канец пары тэрмапар паглынае цяпло (канец астуджэння), а другі канец вылучае цяпло (канец цеплааддачы). Змяняючы кірунак току, можна памяняць месцамі канец астуджэння і канец цеплааддачы.
Яго прадукцыйнасць астуджэння ў асноўным залежыць ад трох асноўных параметраў:
Тэрмаэлектрычны каэфіцыент якасці (значэнне ZT): гэта ключавы паказчык для ацэнкі прадукцыйнасці тэрмаэлектрычных матэрыялаў. Чым вышэй значэнне ZT, тым вышэй эфектыўнасць астуджэння.
Розніца тэмператур паміж гарачым і халодным канцамі: Эфект цеплааддачы на баку цеплааддачы непасрэдна вызначае магутнасць астуджэння на баку астуджэння. Калі цеплааддача нераўнамерная, розніца тэмператур паміж гарачым і халодным канцамі звужаецца, і эфектыўнасць астуджэння рэзка зніжаецца.
Працоўны ток: у межах намінальнага дыяпазону павелічэнне току павялічвае здольнасць астуджэння. Аднак, як толькі парог перавышаны, эфектыўнасць зніжаецца з-за павелічэння джоўлевага цяпла.
II Гісторыя развіцця і тэхналагічныя прарывы тэрмаэлектрычных халадзільных установак (сістэмы астуджэння Пельцье)
У апошнія гады распрацоўка тэрмаэлектрычных кампанентаў астуджэння была сканцэнтравана на двух асноўных напрамках: інавацыі матэрыялаў і структурная аптымізацыя.
Даследаванні і распрацоўкі высокапрадукцыйных тэрмаэлектрычных матэрыялаў
Значэнне ZT традыцыйных матэрыялаў на аснове Bi₂Te₃ павялічылася да 1,2-1,5 дзякуючы легіравання (напрыклад, Sb, Se) і нанамаштабнай апрацоўцы.
Новыя матэрыялы, такія як тэлурыд свінцу (PbTe) і сплаў крэмнію і германію (SiGe), выдатна спраўляюцца з тэмпературамі сярэдніх і высокіх (ад 200 да 500 ℃).
Чакаецца, што новыя матэрыялы, такія як арганічна-неарганічныя кампазітныя тэрмаэлектрычныя матэрыялы і тапалагічныя ізалятары, яшчэ больш знізяць выдаткі і павысяць эфектыўнасць.
Аптымізацыя структуры кампанентаў
Мініяцюрызацыйная канструкцыя: падрыхтоўка мікранных тэрмабатарэй з дапамогай тэхналогіі MEMS (мікраэлектромеханічныя сістэмы) для задавальнення патрабаванняў мініяцюрызацыі бытавой электронікі.
Модульная інтэграцыя: падключыце некалькі тэрмаэлектрычных блокаў паслядоўна або паралельна, каб сфармаваць магутныя тэрмаэлектрычныя модулі астуджэння, кулеры Пельцье, прылады Пельцье, якія адпавядаюць патрабаванням тэрмаэлектрычнага астуджэння прамысловага класа.
Інтэграваная структура цеплаадводу: інтэграцыя рэбраў астуджэння з рэбрамі цеплаадводу і цеплавымі трубкамі павышае эфектыўнасць цеплаадводу і памяншае агульны аб'ём.
III Тыповыя сцэнарыі прымянення тэрмаэлектрычных халадзільных установак, кампанентаў тэрмаэлектрычнага халадзільнага абсталявання
Найбольшая перавага тэрмаэлектрычных халадзільных установак заключаецца ў іх цвёрдацельнай прыродзе, бясшумнай працы і дакладным кантролі тэмпературы. Таму яны займаюць незаменнае месца ў сітуацыях, калі кампрэсары не падыходзяць для астуджэння.
У галіне бытавой электронікі
Цеплааддача мабільных тэлефонаў: гульнявыя тэлефоны высокага класа абсталяваны мікратэрмаэлектрычнымі модулямі астуджэння, модулямі TEC, прыладамі Пельцье, модулямі Пельцье, якія ў спалучэнні з сістэмамі вадкаснага астуджэння могуць хутка знізіць тэмпературу чыпа, прадухіляючы зніжэнне частаты з-за перагрэву падчас гульні.
Аўтамабільныя халадзільнікі, аўтамабільныя халадзільнікі: Невялікія аўтамабільныя халадзільнікі ў асноўным выкарыстоўваюць тэрмаэлектрычную тэхналогію астуджэння, якая спалучае функцыі астуджэння і нагрэву (нагрэў можна дасягнуць шляхам пераключэння кірунку току). Яны маюць невялікія памеры, нізкае спажыванне энергіі і сумяшчальныя з аўтамабільнай крыніцай харчавання 12 В.
Кубак для астуджэння напояў/ізаляваны кубак: Партатыўны кубак для астуджэння абсталяваны ўбудаванай мікрапласцінай для астуджэння, якая можа хутка астудзіць напоі да тэмпературы ад 5 да 15 градусаў Цэльсія без неабходнасці выкарыстання халадзільніка.
2. Медыцынская і біялагічная галіны
Дакладнае абсталяванне для кантролю тэмпературы: напрыклад, прыборы для ПЛР (прыборы для палімеразнай ланцуговай рэакцыі) і халадзільнікі для крыві, патрабуе стабільнага нізкатэмпературнага асяроддзя. Паўправадніковыя халадзільныя кампаненты дазваляюць дасягнуць дакладнага кантролю тэмпературы ў межах ±0,1℃, і няма рызыкі забруджвання хладагентам.
Партатыўныя медыцынскія прылады: такія як халадзільныя скрыні для інсуліну, якія маюць невялікія памеры і працяглы тэрмін службы батарэі, падыходзяць для пацыентаў з дыябетам, каб браць іх з сабой, калі яны выходзяць з дому, забяспечваючы тэмпературу захоўвання інсуліну.
Кантроль тэмпературы лазернага абсталявання: асноўныя кампаненты медыцынскіх лазерных лячэбных прылад (напрыклад, лазераў) адчувальныя да тэмпературы, а паўправадніковыя кампаненты астуджэння могуць рассейваць цяпло ў рэжыме рэальнага часу, каб забяспечыць стабільную працу абсталявання.
3. Прамысловая і аэракасмічная галіны
Прамысловае халадзільнае абсталяванне малога маштабу: напрыклад, камеры для выпрабаванняў на старэнне электронных кампанентаў і ванны з пастаяннай тэмпературай дакладных прыбораў, якія патрабуюць лакальнага нізкатэмпературнага асяроддзя, тэрмаэлектрычныя халадзільныя блокі, тэрмаэлектрычныя кампаненты могуць быць настроены з халадзільнай магутнасцю па меры неабходнасці.
Аэракасмічнае абсталяванне: электронныя прылады ў касмічных караблях маюць праблемы з рассейваннем цяпла ў вакуумным асяроддзі. Тэрмаэлектрычныя сістэмы астуджэння, тэрмаэлектрычныя астуджальныя блокі, тэрмаэлектрычныя кампаненты, як цвёрдацельныя прылады, вельмі надзейныя і не вібруюць, і могуць выкарыстоўвацца для кантролю тэмпературы электроннага абсталявання ў спадарожніках і касмічных станцыях.
4. Іншыя новыя сцэнарыі
Носныя прылады: разумныя астуджальныя шлемы і астуджальныя касцюмы з убудаванымі гнуткімі тэрмаэлектрычнымі астуджальнымі пласцінамі могуць забяспечваць лакальнае астуджэнне цела чалавека ў умовах высокай тэмпературы і падыходзяць для работнікаў на адкрытым паветры.
Лагістыка халоднага ланцуга: невялікія скрыні для ўпакоўкі халоднага ланцуга, якія працуюць ад тэрмаэлектрычнага астуджэння, астуджэння Пельцье і акумулятараў, могуць выкарыстоўвацца для перавозкі вакцын і свежай прадукцыі на кароткія адлегласці без выкарыстання вялікіх рэфрыжэратараў.
IV. Абмежаванні і тэндэнцыі развіцця тэрмаэлектрычных халадзільных установак, кампанентаў астуджэння на аснове элементаў Пельцье
Існуючыя абмежаванні
Эфектыўнасць астуджэння адносна нізкая: яго каэфіцыент энергаэфектыўнасці (COP) звычайна складае ад 0,3 да 0,8, што значна ніжэй, чым у кампрэсарнага астуджэння (COP можа дасягаць ад 2 да 5), і не падыходзіць для маштабных і магутнасных сцэнарыяў астуджэння.
Высокія патрабаванні да цеплааддачы: калі цяпло на баку цеплааддачы не можа быць адведзена своечасова, гэта сур'ёзна паўплывае на эфект астуджэння. Таму прылада павінна быць абсталявана эфектыўнай сістэмай цеплааддачы, што абмяжоўвае яе прымяненне ў некаторых кампактных сцэнарыях.
Высокі кошт: кошт падрыхтоўкі высокапрадукцыйных тэрмаэлектрычных матэрыялаў (такіх як наналегаваны Bi₂Te₃) вышэйшы, чым у традыцыйных халадзільных матэрыялаў, што прыводзіць да адносна высокай цаны на высакаякасныя кампаненты.
2. Тэндэнцыі развіцця будучыні
Прарыў у галіне матэрыялаў: распрацоўка недарагіх тэрмаэлектрычных матэрыялаў з высокім значэннем ZT з мэтай павышэння значэння ZT пры пакаёвай тэмпературы да больш чым 2,0 і скарачэння разрыву ў эфектыўнасці ў параўнанні з кампрэсарным халадзільным абсталяваннем.
Гнуткасць і інтэграцыя: распрацоўка гнуткіх тэрмаэлектрычных модуляў астуджэння, модуляў TEC, тэрмаэлектрычных модуляў, прылад Пельцье, модуляў Пельцье, кулераў Пельцье для адаптацыі да прылад з крывалінейнай паверхняй (напрыклад, мабільных тэлефонаў з гнуткім экранам і разумных носных прылад); садзейнічанне інтэграцыі кампанентаў тэрмаэлектрычнага астуджэння з чыпамі і датчыкамі для дасягнення «кантролю тэмпературы на ўзроўні чыпа».
Энергазберагальная канструкцыя: дзякуючы інтэграцыі тэхналогіі Інтэрнэту рэчаў (IoT) дасягаецца інтэлектуальнае рэгуляванне запуску/спынення і магутнасці кампанентаў астуджэння, што зніжае агульнае спажыванне энергіі.
V. Рэзюмэ
Тэрмаэлектрычныя халадзільныя ўстаноўкі, ахаладжальныя ўстаноўкі Пельцье, тэрмаэлектрычныя сістэмы астуджэння, дзякуючы сваім унікальным перавагам цвёрдацельных, бясшумных і дакладна кантраляваных тэмпературных рэжымаў, займаюць важнае месца ў такіх галінах, як бытавая электроніка, медыцынская дапамога і аэракасмічная прамысловасць. З пастаянным удасканаленнем тэхналогіі тэрмаэлектрычных матэрыялаў і канструкцый, пытанні іх эфектыўнасці астуджэння і кошту будуць паступова паляпшацца, і чакаецца, што ў будучыні яны заменяць традыцыйныя тэхналогіі астуджэння ў больш канкрэтных выпадках.
Час публікацыі: 12 снежня 2025 г.
